周正貴，李海燕

(安徽商貿(mào)職業(yè)技術學院電子信息工程系，安徽蕪湖 241002)

基于ZigBee技術的精準農(nóng)業(yè)綜合監(jiān)測系統(tǒng)設計

周正貴，李海燕

(安徽商貿(mào)職業(yè)技術學院電子信息工程系，安徽蕪湖 241002)

本文利用ZigBee技術研究一種精準農(nóng)業(yè)綜合監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)分為上位機、主控器、網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、子節(jié)點網(wǎng)絡，主控器由基于STM32F103系列微型控制器設計，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器及各子節(jié)點由基于集成51單片機內(nèi)核的CC2530芯片設計。子節(jié)點網(wǎng)絡節(jié)點連接多種傳感器采集空氣質(zhì)量、水質(zhì)、土壤信息參數(shù)，經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，最終主控器接收處理數(shù)據(jù)并發(fā)送至上位機服務器存儲，用戶可遠程實時訪問上位機傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能化科學管理。

ZigBee；網(wǎng)絡；監(jiān)測；節(jié)點

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，科技的發(fā)展推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式不斷更新，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)逐步邁向信息化、精準化。種植人員運用科技能夠?qū)崟r、準確地掌握農(nóng)作物生長環(huán)境綜合數(shù)據(jù)，進而調(diào)節(jié)改善農(nóng)作物生長綜合環(huán)境。本文設計了一種基于ZigBee技術的精準農(nóng)業(yè)綜合監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)作物生長區(qū)域的大氣、水質(zhì)、土壤墑情綜合監(jiān)測，實現(xiàn)對農(nóng)作物的科學有效的智能化管理。系統(tǒng)可對農(nóng)作物生長區(qū)域的溫度、濕度、光照強度、水質(zhì)的pH值、水質(zhì)的濁度、土壤的pH值、土壤的水分等進行實時監(jiān)測，通過短距離無線網(wǎng)絡ZigBee上傳數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心，實現(xiàn)集中顯示，為決策提供依據(jù)。

ZigBee是一種近距離、低功耗、價格低廉、組網(wǎng)便捷、源碼開放的通信技術，廣泛應用在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通等行業(yè)底層原始數(shù)據(jù)采集、設備控制等領域。ZigBee協(xié)議分為物理層、媒體鏈路層、傳輸層、網(wǎng)絡層、應用層等，ZigBee組網(wǎng)方式靈活，一個網(wǎng)絡系統(tǒng)中可容納6000多個節(jié)點，根據(jù)協(xié)議程序可組建成星型、網(wǎng)狀型、簇狀型網(wǎng)絡。

1 系統(tǒng)方案設計

為了實時監(jiān)測并改善農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)，需要對農(nóng)作物所屬區(qū)域的大氣、水質(zhì)、土壤墑情等因素進行測量，這樣在調(diào)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中就能夠參考這些數(shù)據(jù)來改善農(nóng)作物生長環(huán)境。系統(tǒng)采用無線短距離通信技術ZigBee構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡，終端網(wǎng)絡節(jié)點采集農(nóng)作物區(qū)域的空氣、水質(zhì)、土壤等信息，通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送至上位機，遠程可以實時在線查詢數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能化功能。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

傳感器節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點采用CC2530芯片設計，該芯片內(nèi)部嵌入了8位單片機CPU，資源豐富，含有RF無線射頻、串口、DMA、定時器等，并為使用者提供了一個強大的ZigBee解決方案。CC2530芯片廣泛應用在ZigBee系統(tǒng)、樓宇自動化、工業(yè)現(xiàn)場控制、低功耗無線網(wǎng)絡等領域。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 主機電路設計

系統(tǒng)分為主機、網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、子節(jié)點網(wǎng)絡。主機由基于STM32F103系列微型控制器設計，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器及各子節(jié)點采用基于集成了51單片機內(nèi)核的CC2530芯片設計。主機部分液晶顯示原理圖如圖2所示，采用5寸液晶片作為上位機顯示界面，LCD芯片數(shù)據(jù)線、控制線按照如圖2所示進行連接。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

圖2 主機液晶顯示電路原理圖

2.2 串口電路設計

主機STM32F103微處理器是32位ARM微控制器。為了能將終端傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器，主機外部采用SP3232芯片設計串口接口電路，如圖3所示。SP3232是一種標準的RS232轉(zhuǎn)換芯片，能完成TTL電平與232電平的相互轉(zhuǎn)化，包含驅(qū)動器、收發(fā)器等電路模塊。

圖3 主機串口電路原理圖

2.3 傳感器節(jié)點電路設計

子節(jié)點傳感器及ZigBee接口原理圖如圖4所示。AM2301傳感器原理圖、光照強度模塊原理圖、酸堿度檢測、土壤水分、濁度傳感器的設計依據(jù)相同設計原理，傳感器采集到數(shù)據(jù)后經(jīng)濾波、放大等處理后送至CC2350芯片IO端口。

圖4 子節(jié)點傳感器及ZigBee接口原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件總體設計

軟件用C語言編寫，基于ST公司官方庫函數(shù)實現(xiàn)各模塊的功能實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件算法流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電后，主機、網(wǎng)關節(jié)點先通電，其他終端節(jié)點依次上電，設置所有節(jié)點均為相同的頻段號、網(wǎng)絡ID號，即可成功組建ZigBee網(wǎng)絡，各傳感器節(jié)點會上傳采集的數(shù)據(jù)至網(wǎng)關，最后發(fā)送至上位機服務器，由于傳感器采集的數(shù)據(jù)實時上傳，將始終保持農(nóng)作物區(qū)域感知數(shù)據(jù)實時更新。

圖5 系統(tǒng)軟件算法流程圖

圖6 傳感器數(shù)據(jù)采集流程圖

3.2 傳感器算法設計

圖7 手機查詢顯示界面

系統(tǒng)使用了7種傳感器，其中AM2301濕敏電容數(shù)字溫濕度模塊是含有己校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。系統(tǒng)中7種傳感器轉(zhuǎn)換算法相似，首先上電后，傳感器進行初始化、復位操作；然后由CC2530處理器發(fā)出讀取指令，當傳感器響應后，按照時序圖讀取字節(jié)數(shù)；最后依據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式計算傳感器數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)采集流程圖如圖6所示。

3.3 遠程訪問服務器軟件設計

當上位機接收到傳感器數(shù)據(jù)后，上位機服務器數(shù)據(jù)庫中將存儲相應的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)利用Android設計了訪問服務器應用軟件，當用戶打開軟件后，系統(tǒng)會鏈接到上位機服務器，并在顯示界面顯示各傳感器數(shù)據(jù)，如圖7所示。

4 結(jié)語

本文給出一種基于ZigBee技術的精準農(nóng)業(yè)綜合監(jiān)測系統(tǒng)，詳細設計了主機及節(jié)點硬件電路、軟件算法，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡技術實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)種植區(qū)域數(shù)據(jù)的實時遠程采集，種植人員可根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)及時改善種植物生長環(huán)境，提高農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)。

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Design of Precision Agriculture Comprehensive Monitoring System Based on ZigBee Technology

ZHOU Zheng-gui, LI Hai-yan

(Department of Electronic Information Engineering,Anhui Business College,Wuhu Anhui 241002,China)

A precision agriculture comprehensive monitoring system was developed based on ZigBee technology. The system consists of upper computer, main control device, network coordinator and subnode network. The main controller was designed based on STM32F103 microcontroller, and network coordinator and subnodes were designed based on CC2530 chip of 51 microcontroller core. The subnodes and network nodes connected a variety of sensors to collect air quality, water quality and soil parameters. ZigBee network was adopted to send data to network coordinator. Finally the main controller

data and sent data to the upper computer for storage, thus users could remotely get access to sensor data of the upper computer in real time and realize intelligentized scientific management.

ZigBee; network; monitoring; node

2017-03-31

安徽省教育廳自然科學研究重點項目“基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究”(KJ2016A254)；安徽省教育廳質(zhì)量工程項目“物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)綜合改革試點”(2015zy118)；安徽商貿(mào)職業(yè)技術學院自然科學研究項目“基于RFID技術的食品追溯系統(tǒng)研究”(2014KYZ04)。

周正貴(1984- )，男，講師，碩士，從事物聯(lián)網(wǎng)應用技術、電子信息技術研究。

TP274

A

2095-7602(2017)08-0051-05